持続可能性のための超電導: 高エネルギー社会への新しい超電導リンク

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柔軟なクライオスタットと最初の一連の高温超電導二ホウ化マグネシウムケーブルは、HL-LHC 内部トリプレット磁石に電力を供給するための革新的な電気伝送ラインを形成します。

2023 年 3 月 3 日

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チェトナ・クリシュナ著

世界最大かつ最も強力な粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は、現在世界で稼働している超伝導を利用した単一の機械としては最大のものでもあります。 LHC 内の陽子ビームは超伝導電磁石を使用して曲げられ、加速器リングの周りに集束されます。 これらの電磁石はニオブチタン (Nb-Ti) ケーブルで作られたコイルで作られており、超電導になるためには宇宙空間よりも低い温度で動作する必要があります。 これにより、抵抗やエネルギーの損失なしに電流が流れることができます。 LHC のアップグレードである高輝度 LHC (HL-LHC) には、「超電導リンク」として知られる革新的な送電線が初めて搭載されます。

最近、CERN の SM18 磁石試験施設は、二ホウ化マグネシウム超電導ケーブルの最初のシリーズを新しい柔軟なクライオスタットに統合することに成功しました。 高温超電導 (HTS) 二ホウ化マグネシウム (MgB2) ケーブルと合わせて、HL-LHC 内部トリプレット磁石に電力を供給するための独自の超電導伝送ラインを形成します。 トリプレットは、衝突の直前にビームを 5 マイクロメートルほどの狭い直径に集束させる集束磁石です。

口語的に「パイソン」として知られるこの柔軟な二重壁波形クライオスタットは、19 本の MgB2 超電導ケーブルを 1 つのアセンブリにまとめ、より合わせてコンパクトな束を形成しています。 各 MgB2 ケーブルの長さは約 140 メートル、束の直径は約 90 mm です。 これら 19 本の超電導ケーブルを組み合わせると、従来の超電導体が動作する温度よりも高い 25 K (-248 °C) で約 120 kA の DC 電流を伝送できます。 LHC では、ニオブ - チタン (Nb-Ti) ケーブルとニオブ - 錫 (Nb3Sn) ケーブルは、外部の 2.7 K (-270.5 °C) よりも低い温度である 1.9 K (-271.3 °C) の超流動ヘリウム中で動作します。空間。 超電導リンクの MgB2 ケーブルは、ヘリウムガスの強制流によって冷却されます。 「LHC プロジェクトの初期段階で行われた研究開発により、進行中の生産が信頼性が高く再現性のあるものになりました」と HL-LHC プロジェクト リーダーのオリバー ブリューニング氏は述べています。

この新しいタイプの超電導送電線には、外部加速器技術の可能性もあります。 これらの送電線は、小さな直径内で膨大な量の電流を転送できるため、大都市に電力を供給したり、再生可能エネルギー源を人口密集地域に接続したりするために使用できます。 最近、CERN とエアバス アップネクストは、将来の低排出航空機における超電導伝送の使用を評価するための協力協定を締結しました。

しかし、この超電導材料の新規性だけが、持続可能な超電導移送ラインの秘密の要素ではありません。

「この新しいシステムの利点の 1 つは、超電導リンクの極低温操作がゼロコストで行われることです。これは、いずれの場合でも電流リードを冷却するために必要なヘリウム ガスを輸送するためです」と、同システムの副リーダー、アマリア バッラリーノ氏は述べています。 CERN の磁石、超伝導体、およびクライオスタットのグループ。 「つまり、超電導リンクはヘリウムと電気の伝送線の両方として機能します。」

CERN の SM18 施設は、2026 年に開始予定の長期停止 3 中に超電導リンクが LHC トンネルに設置されるまで、HL-LHC 用の超電導リンク (合計 10 本) の組み立てと試験を継続します。 LHC超電導リンクは今年稼働する予定で、片側はREBCO（希土類バリウム銅酸化物）HTS電流リード線でクライオスタットに接続され、もう一方はNb-Ti接続に接続されます。 これらの重要な新技術（MgB2 製の新しい超電導ケーブル、長く静的熱負荷が低い柔軟なクライオスタット、REBCO HTS 電流リード）を統合することは、HL から始まる CERN の加速器の将来に向けた送電への持続可能なアプローチの始まりを示します。 LHC。